Warning: Cannot modify header information - headers already sent by (output started at /nano-data/main/resources.obj.php:5902) in /nano-data/main/resources.obj.php on line 5089
Углеродное чудо: Новые области использования УНТ
Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Нанотрубка.
Нанотрубочный войлок.
Логика (граф).
Диод.
Сеть.
Наноробот.
Клетки.

Углеродное чудо: Новые области использования УНТ

Ключевые слова:  Интернет-олимпиада, Наноазбука

Автор(ы): Демидов Роман Алексеевич

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

12 июня 2009

Предлагаем Вашему вниманию самые оригинальные работы конкурса Углеродное чудо, организованного в рамках Третьей Всероссийской Интернет-олимпиады "Нанотехнологии - прорыв в Будущее" корпорацией Байер (Bayer MaterialScience). Автор: Демидов Роман Алексеевич

Мы живем в очень интересное время. В конце 20 века,с его войнами,великими открытиями и событиями произошло резкое увеличение тепов научно-технического прогресса.Этот процесс мы наблюдаем и сейчас.Буквально на наших глазах происходит невиданный скачок в технологиях,причем тенденция к их изменению заметна невооружнным глазом-это стремление технологии в сторону уменьшения размеров,причем повсеместно. Судите сами: каждый год сменяется архитектура процессоров в ПК,а именно размерность структурных элементов,которая берет все новые рекорды по малости.Сейчас она дошла до отметки в 45 нанометров.Или уменьшение структурных элементов в композитах для повышения нужных свойств в области электропроводимости,упругости,твердости,что используется в авиастроении,в новых образцах вооружений,в прикладном материаловедении.Это лишь некоторые,не самые выдающиеся примеры.Уже понятно,что в 21 веке нас ждет новая научно-техническая революция,наподобие той,которая произошла в Европе в 20 веке.Она будет характеризоваться качественным и всеобъемлющим рывком во всех областях техники и технологий-от медицины и биотехнологий до материаловедения,искусственного интеллекта и экологии.О чем идет речь? Конечно же,о нанотехнологиях.

Нанотехнология-это настолько всеобъемлющая наука,что в ней даже нельзя выделить главное направление ее исследований.Это скорее сплав всех естественнонаучных дисциплин.Но главные ее разделы,содержащие в себе огромный потенциал для развития, мы можем выделить.Одним из таких разделов предстают нам новые формы углерода,вещества,на основе которого основана существующая форма жизни на Земле,такие,как фуллерены и углеродные нанотрубки(далее УНТ).О последних и пойдет речь.

УНТ-это особая форма углерода,которая является одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивается обычно полусферической головкой.По официальной информации,впервые УНТ были исследованы в 1991 году японцем Ииджимой,который изучал их многослойный вариант.Но есть свидетельства,говорящие о том,что УНТ были открыты и исследованы намного раньше,а именно в середине 20 века.В 1952, в статье советских учёных Радушкевича и Лукьяновича сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном катализаторе. Эти исследования не были продолжены,хотя были,как уже теперь понятно,на редкость перспективными.

В чем же их особенности?Особенности в потрясающих свойствах,как механических,так и физико-химических.В зависимости от электронной модификации УНТ она может резко менять свою электропроводность,причем радикально .Так, их полупроводниковая модификация является прямозонным полупроводником,т.е полупроводником, в котором происходит рекомбинация p и n носителей тока с испусканием фотона.Эта их модификация может использоваться как один из элементов базы в оптоэлектронике.Но намного интереснее сверхпроводимость УНТ.Она была открыта исследователями из Франции и России (ИПТМ РАН, Черноголовка). Ими были проведены измерения вольт-амперных характеристик:

  • отдельной однослойной нанотрубки диаметром ~1нм;
  • свёрнутого в жгут большого числа однослойных нанотрубок;
  • также индивидуальных многослойных нанотрубок.

Ток,наведенный внутри нанотрубки,свернутой в бублик,может гулять по кругу долгие годы.Характер переноса зарядов в УНТ отличается однонаправленностью,что отличает ее от обычных полупроводников,где степень свободы зарядов по осям = 3.При изменении геометрических свойств нанотрубок,например,при замене в процессе роста нанотрубки одного из углеродных шестиугольников пяти- или семиугольником,из-за чего образуется “надлом” трубки,изменяются и их электропроводные свойства. Из-за этого можно получить нанотрубки с постоянно меняющейся электропроводностью без потенциального барьера между частями. УНТ отличаются чрезвычайной упругостью,что позволяет получать материалы со свойствами,неподвластными обычному веществу.Модуль Юнга для нанотрубок на несколько порядков превосходит лучшие образцы стали.Благодаря механическим свойствам нанотрубок стала возможна реализация широко известного проекта “Космического лифта”,а также производство сверхпрочных нитей,материалов.

О свойствах этой группы материалов можно говорить очень долго.Мне бы хотелось остановиться на новых областях,в которых можно использовать УНТ. Совершенно очевидно,что областей применения нанотрубок с их свойствами-безграничное количество,но наиболее перспективные из них требуют особого внимания.

1.Искусственный интеллект в кибернетике и управлении нанустройств.

С середины 20 века,когда появились первые концепции искусственный нейронных сетей,прошло полвека.За это время эта прикладная наука достигла серьезных успехов.Сейчас ее можно разделить на 3 основных направления исследований:искусственные нейронные сети,генетические алгоритмы и нечеткая логика. Первые основаны на модели естественных нейронных сетей,которые позволяют человеческому мозгу обрабатывать информацию и решать сложные задачи(распознавание изображений,лиц людей,предметов,представление о предмете на основе словесного описания,обработка речи и т.д.) быстрее компьютеров на порядки.Нейрокомпьютер — устройство переработки информации на основе принципов работы естественных нейронных систем,должен конкурировать с обычным компьютером,построенным на нынешней архитектуре,именно в таких задачах.Первыми нейрокомпьютерами были перцептроны Розенблатта Марк-1 (1958) и Тобермори (1964), а также Адалайн, разработанный Уидроу.Доволнительный импульс развитию нейрокомпьютеров дали теоретические разработки 1980х годов по теории нейронных сетей (сети Хопфилда, сети Кохонена, метод обратного распространения ошибки).В настоящее время ИНС используются в алгоритмах управления ракетами,беспилотными летательными аппаратами в реальном времени,в расчетах валютных рынков типа Forex, опять же, в реальном времени, в распознавании изображений, текста,предметов,лиц речи.Существуют аппаратная и программная реализации НС.

Нечеткая логика(НЛ)-раздел математики, являющийся обобщением классической логики и теории множеств,которая допускает в качестве меры принадлежности элемента множеству не только 0 и 1(принадлежит/не принадлежит),но любые числа из интервала (0,1).НЛ применяется в управлении роботами,в ориентации их в пространстве,обхождении ими препятствии,оптимизации пути,оенке окружающей обстановки.НЛ активно пименяется на практике. Генетические алгоритмы используются в вычислительных алгоритмах,и основаны на методах естественной биологической эволюции.В нашем случае они интереса не представляют,т.к. предназначены для решения других задач.

На первый взгляд,причем тут нанотрубки?На самом деле,их применение очень велико.Одим из направлений нанотехнологий является наноэлектомеханика.В будущих моделях нанороботов ,очевидно,будут применяться технологии искусственного интеллекта для решения распространенных задач-ориентация в пространстве,распознавании объектов окр.среды,управлении полетом,вооружением.УНТ могут,и должны использоваться как элементы искусственных нейронных сетей,именно в аппаратной реализации,из-за своих основных свойств-размеров,позволяющих использовать их на наноуровне,электрических свойств,о которых было рассказано выше(возможность конструировать сложные электрические наноцепи,состоящие из нано- резисторов,диодов,транзисторов для сборки наноцепи в требуемыми параметрами),сверхпроводимости(что обеспечит колоссальное быстродействие нашей нейросети),механеской упругости(что скажется на устойчивости нашей конструкции),защищенность от помех(из-за геометрических свойств нанотрубок).В идеале мы получаем малую наноразмерную,сверхбыструю,помехоустойчивую сеть,пригодную для решения поставленных задач.Такую сеть по аналогии можно было бы сделать программной,но тут не идет ни в какое сравнение скорость вычислений,что,очевидно,важно,особенно в военном применении.Для хорошей реализации нечетких алгоритмов требуется высокая скорость обработки нечетких правил в реальном времени.Т.к. характер вычислений в основном линейный, для аппаратого вычисления из-за своих размеров,структуры и быстродействия можно использовать УНТ.

Нанотрубки оказались полезыми на стыке 2 высокотехнологичных дисциплин-нанотехнологий и искусственного интеллекта. Таким образом,для управления наноразмерными устройствами УНТ походят как нельзя лучше.Использование нанотрубок в таких устройствах не только хорошо с технической точки зрения,но и с (.) зрения прибыли,ведь реализация вычислений такого же быстродействия на наноустройствах без использования УНТ увеличит затраты до 2 раз,т.к потребуется использовать либо программную реализацию,либо опираться на традиционную архитектуру вычислений,что еще больше удорожит проект. Использоваться все это будет уже в недалеком будущем,ведь о первых успехах в области НЭМС уже известно.Применение же нанороботов огромно-это в первую очередь медицина,военное применение,защита окружающей среды и т.д.

2.УНТ в нейрохирургии.

Нейрохирургия-одна из самых сложных областей медицины,потому что здесь идет речь об операции на самом сложно устроенном органе человека-мозге.Иногда случается,что в результате травм некоторые участки мозга перестают работать.Так как мозг-это гигантский нейрокомпьютер,поврежденные участки мозга можно было бы в будущем заменять искусственной нейронной сетью,построенной с использованием УНТ.Хотя сама по себе НС помехоустойчива,в нейрохирургии,если считать мозг нейрокомпьютером,даже малейшее отклонение от правильной работы заметно(речь идет о нарушениях мозговой деятельности,психических заволеваниях,травмах и т.д.)Поэтому чрезвычайно важно восстанавливать работу мозга во всем его потенциале.Аналогов имплантантам на нейронных сетях нет.В будущем эта проблема нейрохирургии только усилится.Думаю,с точки зрения практического применения и ликвидности этот проект будет очень востребованным и выгодным.Первые образцы имплантантов можно было бы сделать уже сейчас.Насколько я знаю,подразделение компании “Байер”,”Bayer HealthCare AG”,занимается разработкой продуктов для лечения и профилактики заболеваний.Возможно,это решение будет интересным для этой компании.

3.УНТ в энергетике

Механические и геометрические свойства нанотрубок позволяют находить им самое неожиданное применение.Благодаря цилиндрическому устройству молекул внутри цилиндров образуется достаточно много пространства.Почему бы его не использовать для хранения вещества?Водород,один из самых перспективных новых видов топлива,имеет самый маленький атомный радиус.Для его хранения можно было бы использовать УНТ большого диаметра.Тогда оболочка нанотрубки могла бы безопасно хранить водород длительный промежуток времени,и отдавать его по мере необходимости.Главные преимущества-возможность синтезировать нанотрубку нужного диаметра и длины,хорошая защита водорода внутри трубки,достигаемая высокая плотность хранения водорода благодаря высокой упругости и симметричности нанотрубок.Для более плотной упаковки и более безопасного хранения водорода возможно использование многослойных УНТ.

По аналогии с водородом в нанотрубках большого диаметра можно хранить радиоактивные отходы работы промышленных ядерных и термоядерных реакторов-продукты деления или продукты синтеза.в таком виде радиоактивные изотопы становятся более безопасными для дальнейшего захоронения.Также нанотрубки удобно использовать для радиационной защиты.В наше время аналоги этому решению есть,ноони не защищают,а уменьшают воздействие радиации.А проблема захоронения радиоактивных отходов пока не нашла своего решения.Поэтому эт решение может принести неплохую прибыль,т.к. оно не имеет пока приемлемых аналогов. Это лишь малая часть из тех областей,в которых применение УНТ дает поразительные результаты.Думаю,с течением времени мы услышим о новых грандиозных открытиях,с ними связанных... .На нашем факультете ведутся работы в этой и смежных областях.Было бы прекрасно,если бы компания,подобная по масштабу исследований наноматериалов компании “Байер”,появилась бы и в России.(Автор-Демидов Роман)

Прикрепленные файлы:
demidov.doc (288.00 КБ.)

 

В статье использованы материалы: Творческий тур


Средний балл: 8.5 (голосов 2)

 



Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Дефекты решетки абрикосовских вихрей в периодическом потенциале пиннинга с беспорядком
Дефекты решетки абрикосовских вихрей в периодическом потенциале пиннинга с беспорядком

VIII Международная Конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»
VIII Международная Конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (http://dfmn.imetran.ru/) пройдет в Москве (ИМЕТ РАН) с 19 по 22 ноября 2019 г. В рамках Конференции пройдет Молодежная школа-конференция.

Более 770 площадок пожелали присоединиться к Всероссийскому химическому диктанту с международным участием 18 мая
Более 770 площадок подали заявки на участие во II Всероссийском химическом диктанте, который в этом году пройдет с международным участием 18 мая в 13:00. Мероприятие организовано Московским государственным университетом имени М.В. Ломоносова, Химическим факультетом МГУ и корпорацией «Российский учебник» при поддержке Ассоциации учителей и преподавателей химии.

Найдены превращающие свет в электричество камни
Ученые обнаружили возникновение электрического тока в неорганических системах, что напоминает первые этапы усваивания энергии Солнца бактериями и растениями в процессе фотосинтеза. Открытое явление протекает в различных минералах и почвах. В отличие от обычного фотосинтеза, в данном случае участвуют только неорганические соединения, которые не имеют отношения к деятельности живых форм.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2019 году
Семенова Анна Александровна
21-24 мая 2019 года в лабораторном корпусе Б пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками ФНМ МГУ.

«Наука открывает огромные просторы для творчества»
Яна Хлюстова, Екатерина Мищенко
Об олимпиадах школьников и начале научного пути в интервью Indicator.Ru рассказала Екатерина Жигилева, студентка второго курса химического факультета МГУ им. Ломоносова.

Интервью с Константином Козловым - абсолютным победителем XIII Наноолимпиады
Семенова Анна Александровна
Школьник 11 класса Константин Козлов (г. Москва) стал абсолютным победителем Олимпиады "Нанотехнологии - прорыв в будущее!" 2018/2019 по комплексу предметов "физика, химия, математика, биология". О своих впечатлениях, увлечениях и немного о планах на будущее Константин поделился с нами в интервью.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.